JP2016087691A - Ｐｂフリーはんだ及び電子部品内蔵モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】作業性の低下を抑制しつつ、再加熱した場合の溶融を防止する。
【解決手段】少なくともＳｎ及びＢｉを含む第１金属に、少なくともＮｉ−Ｆｅ合金を含む第２金属を添加してＰｂフリーはんだを構成する。このＰｂフリーはんだは、最初に溶融する過程において、第１金属のＳｎと第２金属のＮｉ−Ｆｅ合金との反応が進行して、溶融後硬化したＰｂフリーはんだの組織には、Ｎｉ−Ｓｎ相が形成される。これによって、一旦溶融して硬化したＰｂフリーはんだは、最初に溶融する前と比較して融点が高くなり、耐熱性が向上し、再加熱された際の溶融を防止することができる。また、上記のＰｂフリーはんだは、通常のはんだと同様のプロセスで二部材を接合できるので、二部材を接合する際における作業性の低下が抑制される。
【選択図】図１

Description

本発明は、Ｐｂフリーはんだ及びこのＰｂフリーはんだを用いた電子部品内蔵モジュールに関する。

受動素子等の電子部品を基板に実装して製造される電子部品内蔵モジュールは、電子機器の基板に実装されて用いられる。電子部品内蔵モジュールにおける電子部品の接合及び電子部品内蔵モジュールの実装に用いられるはんだとして、Ｐｂ（鉛）を含まないＰｂフリーはんだが知られている。

電子部品内蔵モジュールを電子機器の基板に実装する際には、はんだを溶融させるためのリフローが行われる。このリフローの際に、電子部品内蔵モジュール内の電子部品と基板とを接合するはんだが溶融して飛散したりはんだが移動したりすることを防ぐため、種々の検討が行われている。例えば、特許文献１では、ろう付けすべき二部材の少なくとも一方に合金化してろう材となる異種の金属層を積層した後にろう付けする構成が示されている。

特開２００１−６２５６１号公報

しかしながら、特許文献１に記載の構成では、接合する対象の二部材の少なくとも一方に、合金化してろう材となる異種の金属層をめっき等によって積層形成する必要があるため、作業に手間を要する。特に、小型化が進んでいる電子部品の端子電極と基板の端子電極とを接合する場合には、作業に手間を要する。

本発明は上記を鑑みてなされたものであり、作業性の低下を抑制しつつ、再加熱した場合の溶融を防止することが可能なＰｂフリーはんだ及びこのＰｂフリーはんだを用いた電子部品内蔵モジュールを提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明に係るＰｂフリーはんだは、少なくともＳｎ及びＢｉを含む第１金属と、少なくともＮｉ−Ｆｅ合金を含む第２金属と、を含み、前記第１金属は、Ｓｎ及びＢｉの和が９０質量％以上であって、Ｂｉの割合が５質量％以上１５質量％以下であり、前記第１金属の質量と前記第２金属の質量との和に対する前記第２金属の割合が５質量％以上３０質量％以下であることを特徴とする。

上記のように、少なくともＳｎ及びＢｉを含む第１金属に、少なくともＮｉ−Ｆｅ合金を含む第２金属を添加してＰｂフリーはんだを構成する。このＰｂフリーはんだは、最初に溶融する過程において、第１金属のＳｎと第２金属のＮｉ−Ｆｅ合金との反応が進行して、溶融後硬化したＰｂフリーはんだの組織には、Ｎｉ−Ｓｎ相が形成される。これによって、一旦溶融して硬化したＰｂフリーはんだは、最初に溶融する前と比較して融点が高くなり、耐熱性が向上し、再加熱された際の溶融を防止することができる。また、上記のＰｂフリーはんだは、通常のはんだと同様のプロセスで二部材を接合できるので、二部材を接合する際における作業性の低下が抑制される。

ここで、前記第１金属及び前記第２金属は、粒状である態様とすることができる。第１金属及び第２金属が粒状である場合、第１金属と第２金属との接触面積が増加するため、ＳｎとＮｉ−Ｆｅとの反応が促進されるため、溶融後硬化したＰｂフリーはんだの融点をより確実に上昇させることができる。

また、前記第２金属の平均粒子径は、３μｍ以上５０μｍ以下である態様とすることができる。第２金属の平均粒子径を上記の態様とすることで、第２金属の粒子の製造や取り扱いが容易になるとともに、一旦溶融して硬化したＰｂフリーはんだの耐熱性を確実に向上させることができる。

また、本発明に係る電子部品内蔵モジュールは、電子部品と、当該電子部品が実装される基板と、を含み、前記電子部品の端子と前記基板の端子とは、上記のＰｂフリーはんだにより接合されることを特徴とする。

上記の電子部品内蔵モジュールは、上記のＰｂフリーはんだによって電子部品の端子と基板の端子とが接合されるので、電子部品の端子の接合不良等が発生するおそれを低減できる。

本発明によれば、作業性の低下を抑制しつつ、再加熱した場合の溶融を防止することが可能なＰｂフリーはんだ及びこのＰｂフリーはんだを用いた電子部品内蔵モジュールが提供される。

電子部品内蔵モジュールの断面図である。 電子部品内蔵モジュールを電子機器等の基板に取り付けた状態を示す側面図である。 本実施形態に係るＰｂフリーはんだの概念図である。 本実施形態に係るＰｂフリーはんだの概念図である。 硬化後の第１はんだの組織を模式的に示したものである。 硬化後の第１はんだの組織を模式的に示したものである。 Ｓｎ及びＢｉの和に対してＢｉの添加量を変化させた場合の固相温度及び液相温度の変化を示す図である。

以下、添付図面を参照して、本発明を実施するための形態を詳細に説明する。なお、図面の説明においては同一要素には同一符号を付し、重複する説明を省略する。

図１は、電子部品内蔵モジュールの断面図である。図２は、電子部品内蔵モジュールを電子機器等の基板に取り付けた状態を示す側面図である。図１に示すように、電子部品内蔵モジュール１は、複数の電子部品２を基板３に実装した、ひとまとまりの機能を持つモジュールとしたものである。電子部品２は、基板３の表面に実装されていてもよいし、基板３の内部に実装されていてもよい。本実施形態において、電子部品内蔵モジュール１を構成する電子部品２としては、例えば、コイルやコンデンサ、あるいは抵抗等の受動素子があるが、ダイオードやトランジスタ等の能動素子やＩＣ（Integral Circuit）等も電子部品２として基板３の表面や基板３の内部に実装されてもよい。また、電子部品２は、これらに限定されるものではない。

図１に示すように、電子部品内蔵モジュール１は、電子部品２が実装される回路基板である基板３と、電子部品２を覆う絶縁樹脂４と、絶縁樹脂４の表面を被覆するシールド層５と、を含んで構成される。なお、電子部品内蔵モジュール１は、シールド層５を有していなくてもよい。電子部品２の端子電極と基板３の端子電極とは、本実施形態に係るＰｂフリーはんだ（以下、第１はんだという）６Ａによって接合される。これによって、電子部品２が基板３に実装される。このように、第１はんだ６Ａは、電子部品２の端子電極と基板３の端子電極とを接合するものである。

図１に示すように、電子部品内蔵モジュール１では、基板３に実装された電子部品２が絶縁樹脂４で覆われる。電子部品内蔵モジュール１は、電子部品２が実装される側の基板３の表面（部品実装面という）も同時に絶縁樹脂４で覆われる。このように、電子部品内蔵モジュール１は、絶縁樹脂４で複数の電子部品２及び部品実装面を覆うことで、基板３及び複数の電子部品２を一体化するとともに、強度を確保する。

複数の電子部品２を覆った絶縁樹脂４の表面には、シールド層５が形成される。絶縁樹脂４としては、熱硬化性樹脂、例えば、エポキシ樹脂を用いることができるが、これに限定されない。なお、フィラー等の添加物が含まれていてもよい。

また、本実施形態において、シールド層５は導電材料（導電性を有する材料であり、本実施形態では金属）で構成されている。本実施形態では、シールド層５は単数の導電材料で構成されてもよいし、複数の導電材料の層で構成されてもよい。シールド層５は、絶縁樹脂４の表面を被覆することにより、絶縁樹脂４の内部に封入された電子部品２を電子部品内蔵モジュール１の外部からの高周波ノイズや電磁波等から遮蔽したり、電子部品２から放射される高周波ノイズ等を遮蔽したりする。このように、シールド層５は、電磁気シールドとして機能する。本実施形態において、シールド層５は、絶縁樹脂４の表面全体を被覆している。なお、シールド層５は、電磁気シールドとして必要な機能を発揮できるように絶縁樹脂４を被覆すればよく、必ずしも絶縁樹脂４の表面全体を被覆する必要はない。したがって、シールド層５は、絶縁樹脂４の表面の少なくとも一部を被覆していればよい。

なお、電子部品内蔵モジュール１は、シールド層５を設けていなくてもよい。この場合には、電子部品内蔵モジュール１のシールド層５に相当する領域についても絶縁樹脂４により被覆される。

電子部品内蔵モジュール１は、例えば、次のような手順で製造される。
（１）基板３の端子電極に第１はんだ６Ａを含むはんだペーストを印刷する。
（２）実装装置（マウンタ）を用いて電子部品２を基板３に搭載する。
（３）電子部品２が搭載された基板３をリフロー炉に入れてはんだペーストを加熱することにより、はんだペーストに含まれる第１はんだ６Ａが溶融し、硬化することにより電子部品２の端子電極と基板３の端子電極とを接合する（リフロー工程）。
（４）電子部品２や基板３の表面に付着したフラックスを洗浄する。
（５）絶縁樹脂４で電子部品２及び基板３を覆う（モールド工程）。

上記の手順のうち、リフロー工程では、一般的に、リフロー炉の最高温度が２４０℃〜２６０℃程度となるようにして、はんだペーストに含まれる第１はんだ６Ａの溶融及び硬化が行われる。また、モールド工程は、絶縁樹脂４の材料等によって適宜変更されるが、例えば、１７５℃で４時間加熱することにより、絶縁樹脂４の硬化が行われる。

基板３は、部品実装面の反対側に、端子電極（モジュール端子電極）７を有する。モジュール端子電極７は、電子部品内蔵モジュール１が備える電子部品２と電気的に接続されるとともに、図２に示すように、電子部品内蔵モジュール１が取り付けられる基板（例えば、電子機器の基板であり、以下、装置基板という）８の端子電極（装置基板端子電極）９とはんだ（以下、第２はんだという）６Ｂによって接合される。これによって、電子部品内蔵モジュール１は、電子部品２と装置基板８との間で電気信号や電力をやり取りする。

図２に示す装置基板８は、電子部品内蔵モジュール１が実装される基板であり、例えば、電子機器（車載電子機器、携帯電子機器等）に搭載される。装置基板８に電子部品内蔵モジュール１を実装する場合、例えば、装置基板端子電極９に第２はんだ６Ｂを含むはんだペーストを印刷し、実装装置を用いて電子部品内蔵モジュール１を装置基板８に搭載する。そして、電子部品内蔵モジュール１が搭載された装置基板８をリフロー炉に入れてはんだペーストを加熱することにより、はんだペーストに含まれる第２はんだ６Ｂが溶融し、硬化することによりモジュール端子電極７と装置基板端子電極９とを接合する。その後、電子部品内蔵モジュール１や装置基板８の表面に付着したフラックスを洗浄する。

一般的に、電子部品内蔵モジュールの製造に使用されているＰｂフリーはんだの溶融温度は約２２０℃であるのに対して、リフロー時における最高温度は２４０℃〜２６０℃程度とされる。電子部品内蔵モジュール１を構成する電子部品２を基板３に実装する際に用いられる第１はんだ６Ａは、上述したように、電子部品内蔵モジュール１が装置基板８へ実装される際にリフローされることから、このリフローにおける温度で溶融しないはんだ（高温はんだ）が使用される。

Ｐｂを使用するはんだには、溶融温度が３００℃程度のはんだがあるが、Ｐｂフリーはんだでは溶融温度が２６０℃以上かつ適切な特性を有するものはない。このため、Ｐｂフリーはんだを用いる場合、電子部品内蔵モジュール１を構成する電子部品２の接合に用いるはんだ（第１はんだ６Ａ）、及び電子部品内蔵モジュール１を装置基板８へ実装する際に用いるはんだ（第２はんだ６Ｂ）に、両者の溶融温度差が少ないものを使用せざるを得ない。

電子部品内蔵モジュール１を構成する電子部品２の接合に用いるはんだがリフロー時に再溶融すると、第１はんだ６Ａの移動や、はんだフラッシュ（はんだの飛散）といった不具合が発生する。その結果、短絡や電子部品２の接触不良を招くおそれがある。このため、電子部品内蔵モジュール１の電子部品２を接合するはんだには、電子部品内蔵モジュール１を実装する際のリフロー時において再溶融しないもの、あるいは再溶融が第１はんだ６Ａの移動やはんだフラッシュを招かない程度であるものを使用することが望まれている。溶融温度の高いはんだの代替として導電性接着材（Ａｇペースト等）もあるが、機械的な強度が低く、電気抵抗も高く、コストも高い等の課題があり、はんだの代替とはなっていない。本実施形態の電子部品内蔵モジュール１を構成する電子部品２の接合に用いる第１はんだ６Ａは、このような要求を満たすＰｂフリーはんだである。

図３、図４は、本実施形態に係るＰｂフリーはんだの概念図である。本実施形態に係るＰｂフリーはんだ、すなわち第１はんだ６Ａは、使用前（溶融する前）において、少なくともＳｎ（スズ）及びＢｉ（ビスマス）を含む第１金属６１と、少なくともＮｉ（ニッケル）−Ｆｅ（鉄）合金を含む第２金属６２と、を含む。図３に示す第１はんだ６Ａは、粒状の第１金属６１と粒状の第２金属６２とをペースト材料ＰＥに分散させてはんだペーストとしたものである。図４に示す第１はんだ６Ａは、第２金属６２を芯として、その外側を第１金属６１で被覆し、針金状のはんだとしたものである。このように、第１はんだ６Ａは、溶融する前において、少なくともＳｎ及びＢｉを含む第１金属６１と、少なくともＮｉ−Ｆｅ合金を含む第２金属６２とが溶融時に混合可能な状態であればよい。

第１金属６１は、少なくともＳｎ及びＢｉを含むが、第１はんだ６ＡはＰｂフリーはんだであるため、Ｐｂは含まない。また、第１金属６１は、Ａｇ（銀）、Ｃｕ（銅）のうち少なくとも一つを含んでいてもよい。第２金属６２は、Ｎｉ−Ｆｅ合金を少なくとも含んでいる。すなわち、第２金属６２は、Ｎｉ−Ｆｅ合金を必須とし、この他にＣｏ（コバルト）、Ｍｏ（モリブデン）、Ｃｕ（銅）、Ｃｒ（クロム）のうち少なくとも一つを含んでいてもよい。

本実施形態においては、第１金属６１として、所謂ＳｎＢｉはんだ（Ｐｂフリーはんだ）を用いる。また、第１金属６１において、ＳｎとＢｉの和は９０質量％以上であり、Ｂｉが５質量％以上１５質量%以下である。このようなはんだは、リフロー後における組織はＳｎ相が大半を占めるので、複数回リフローするとＳｎ相が再溶融する。このため、本実施形態では、リフロー時にＳｎと化合物を作りやすい金属として、少なくともＮｉ−Ｆｅ合金を含む第２金属６２を第１金属６１に添加する。すなわち、ＳｎとＢｉとが含まれる第１金属６１に対して、Ｎｉ−Ｆｅ合金が添加される。これによって、最初に第１はんだ６Ａが溶融したときに第１金属６１に含まれるＳｎと第２金属６２のＮｉ−Ｆｅとを反応させて、第１はんだ６Ａが硬化したときに耐熱性の高い組織を作る。そして、例えば、再度のリフロー等によって第１はんだ６Ａが加熱された場合でも、第１はんだ６Ａの再溶融が抑制される。

図５及び図６は、硬化後の第１はんだ６Ａの組織を模式的に示したものである。図５は、硬化前の第１金属６１におけるＢｉ添加量を７．５質量％としたものであり、図６は、硬化前の第１金属６１におけるＢｉ添加量を１２．５質量％としたものである。図５及び図６に示すように、硬化後の第１はんだ６Ａでは、第１金属６１由来のＳｎ相７１内にＢｉ相７２が分散して析出している。また、第２金属６２由来のＮｉ−Ｆｅ相７３の周辺に第１金属６１由来のＳｎと第２金属６２由来のＮｉとが反応したＮｉ−Ｓｎ相７４が形成される。ＮｉとＳｎとの反応が進んだ領域では、Ｎｉ−Ｓｎ相７４の内側のＮｉ−Ｆｅ相７３があった部分が穴部７５となっている場合もある。また、Ｂｉの添加量を増加した場合には、図６に示すように、Ｎｉ−Ｆｅ相７３の周囲に形成されるＮｉ−Ｓｎ相７４の大きさが小さくなると共に、Ｓｎ相７１内にＮｉ−Ｓｎ相７４が分散した状態となる。また、Ｂｉ相７２は、Ｂｉの添加量が少ない場合（図５）は、Ｎｉ−Ｓｎ相７４の周囲に形成されるのに対して、Ｂｉの添加量が増加すると（図６）、Ｓｎ相７１内に分散する。

このように、硬化後の第１はんだ６Ａでは、第１金属６１由来のＳｎ相７１内にＮｉ−Ｓｎ相７４が分散して存在する。ＮｉとＳｎとが反応して得られるＮｉ−Ｓｎ相７４は、融点が４００℃よりも高いため、第２はんだ６Ｂのリフロー時等に再溶融することが防がれる。Ｎｉ−Ｓｎ相７４の周囲には、融点が低いＳｎ相７１等も存在するが、Ｎｉ−Ｓｎ相７４が形成されることでＳｎ相７１が溶融することによるはんだの飛散や移動等が抑制される。

また、Ｓｎ相７１よりも硬いＮｉ−Ｓｎ相７４がＳｎ相７１内に分散していることにより、第１はんだ６Ａでのはんだクラックの発生を防止することができる。硬化後の第１はんだ６Ａが何らかの衝撃等を受けて、その一部に亀裂が発生したとしても、Ｓｎ相７１内にＮｉ−Ｓｎ相７４が分散していることによって、同一相が広がっている場合と比較して、亀裂が大きくなることを防ぐことができる。はんだクラック発生の防止に係る効果は、特に、図６に示すようにＮｉ−Ｓｎ相７４の大きさの偏りが小さくなり、Ｓｎ相７１内に分散しているときに向上する。また、硬化後の第１はんだ６Ａでは、Ｓｎ相７１よりも硬いＢｉ相７２もＳｎ相７１内に分散することで、Ｓｎ相７１内に分散している異種相が増えるため、はんだクラック発生の防止に係る効果が向上する。

また、第１金属６１のように、Ｂｉを含むはんだでは、Ｂｉの添加量に応じて、液相温度及び固相温度が変化する。図７は、Ｓｎ及びＢｉの和に対してＢｉの添加量を変化させた場合に、固相温度の変化を固相線として示すと共に液相温度の変化を液相線として示したものである。図７に示すように、Ｂｉを５質量％以上添加した場合固相温度が低下することから、より低温においてＮｉとＳｎとの反応を促進することができる。したがって、例えば、第１はんだ６Ａを硬化させた後に絶縁樹脂４で電子部品２及び基板３を覆うモールド工程においても、ＮｉとＳｎとの反応が促進させることができるため、ＮｉとＳｎとの反応を促進するための加熱工程等を別途設けなくてもよい。

なお、図７に示すように、Ｂｉの添加量が１５質量％を超えてしまうと、固相温度が共晶温度（約１３９℃）まで下がってしまうため、後段の工程において、硬化後の第１はんだが再溶融してしまう可能性が考えられる。また、Ｂｉの添加量が１５質量％を超えた場合には、硬化後の第１はんだ６Ａにおいて、Ｂｉの偏析量が大きくなる可能性がある。Ｂｉの硬度はＳｎを主体とするはんだ相よりも高いので、硬化後の第１はんだ６ＡにおいてＢｉの偏析量が大きくなると、Ｂｉ自体の硬く脆い性質によって、クラックが進行しやすくなってしまう可能性がある。

さらに、本実施形態では、Ｓｎ及びＢｉが含まれる第１金属６１に、Ｓｎと反応しやすいＮｉ−Ｆｅ合金を含む第２金属６２を添加する。これによって、リフローに要する短い時間でＳｎとＮｉ−Ｆｅ合金との反応を迅速に進行させることができる。

溶融後、硬化した第１はんだ６Ａの融点を上昇させるためには、溶融中のＳｎとＮｉ−Ｆｅとの反応を進め、Ｎｉ−Ｓｎ相の形成を促進する必要がある。このため、溶融前の第１はんだ６Ａを構成する第１金属６１と第２金属６２とは、図３に示すように粒状とすることが好ましい。このようにすれば、第１金属６１と第２金属６２との接触面積が増加するため、ＳｎとＮｉ−Ｆｅとの反応が促進される。これによって、溶融後硬化した第１はんだ６Ａの再溶融を防止することができる。なお、図４に示すように、溶融前の第１はんだ６Ａを針金状とする場合、少なくとも第２金属６２を粒状とすることが好ましい。なお、第１金属６１及び／又は第２金属６２が粒状である場合、第１金属６１及び／又は第２金属６２の粒子は略球状であることが好ましい。第１金属６１及び／又は第２金属６２が球状に近い形状を有していることで、第１金属６１と第２金属６２との接触面積が更に増加し得る。

また、第２金属６２の平均粒子径が小さいほど、第１はんだ６Ａは熱エネルギーを吸収しなくなる傾向を示すことが知られている。この傾向は、第２金属６２の割合が変化しても同様である。また、第２金属６２の平均粒子径が小さくなるほど、溶融時には第１金属６１と第２金属６２との接触面積が増加するので、ＳｎとＮｉ−Ｆｅ合金との反応が進行しやすくなり、Ｎｉ−Ｓｎ相の形成が促進される。一方、第２金属６２の平均粒子径が小さくなるにしたがって、第２金属６２の粒子の製造や取り扱いが困難になる。

したがって、第２金属６２の平均粒子径は、３μｍ以上５０μｍ以下であることが好ましく、５μｍ以上３０μｍ以下がより好ましい。第２金属６２の平均粒子径が５０μｍになると、硬化後における第１はんだ６Ａの組織はＮｉ−Ｓｎ相の形成が十分に進まず、第１はんだ６Ａが溶融して硬化した後における融点の上昇が小さくなる。また、第２金属６２の平均粒子径が３μｍを下回ると、第２金属６２の粒子の製造や取り扱いが困難になることが考えられる。また、第２金属６２の平均粒子径が５μｍより小さいと、粒子径に対する表面積が大きい結果、酸化しやすくなる傾向があるので、リフロー時の再加熱によって溶融せず、酸化粒子として基板上に残留するものが生じるおそれがある。第２金属６２の平均粒子径を５μｍ以上とすると、酸化粒子の残留を抑制できるため、より好ましい。なお、本実施形態では、第１金属６１の平均粒子径は、１０μｍから３６μｍの範囲としている。

また、本実施形態において、第２金属６２の添加割合は、第１金属６１と第２金属６２との和に対して５質量％以上３０質量％以下が好ましい。この範囲であれば、電子部品内蔵モジュール１の基板３に第１はんだ６Ａを用いて電子部品２を実装した後、電子部品内蔵モジュール１を装置基板８に実装する際に再度のリフローをしたとしても、はんだフラッシュの発生や第１はんだ６Ａの移動を抑制できる。また、基板３に第１はんだ６Ａを用いて電子部品２を実装する場合も、適切なセルフアライメント効果が得られるので、電子部品２の位置決めができる。このように、第２金属６２の添加割合が上記範囲であれば、電子部品内蔵モジュール１を構成する電子部品２の実装に好適である。

第２金属６２の粉末は、例えば、水アトマイズ法、ガスアトマイズ法等の金属粉末製造方法によって作製される。水アトマイズ法を用いた場合、作製された粉末の表面が酸化する。第２金属６２の粉末の表面が酸化した状態で第１金属６１に添加し、第１はんだ６Ａとすると、酸化膜の影響により、溶融した状態において、第２金属６２の粉末が硬化した第１はんだ６Ａの表面に集まってしまう。その結果、第１金属６１と第２金属６２とがほとんど分離してしまうので、第１金属６１と第２金属６２との反応が促進されず、第１はんだ６Ａの融点上昇は望めない。

したがって、金属粉末が製造される過程で第２金属６２が酸化した場合、例えば、水素雰囲気中でこれを還元してから、第１金属６１に添加することが好ましい。これによって、第１金属６１は、最初の溶融中に第１金属６１と第２金属６２との反応が促進されるため、溶融後硬化した第１はんだ６Ａは、溶融前と比較して高い融点を確保できる。

第２金属６２の粉末に含まれる酸素量をパラメータとして、第１金属６１と第２金属６２との反応促進を評価した。その結果、第２金属６２の粉末中に含まれる酸素の割合が１．５質量％では、第１金属６１と第２金属６２との反応促進が不十分であり、第１はんだ６Ａの融点上昇は望めない。一方、第２金属６２の粉末中に含まれる酸素の割合が０．２４質量％まで低下すれば、第１金属６１と第２金属６２との反応が促進されて、第１はんだ６Ａの融点が上昇する。

第２金属６２に占めるＦｅの割合は、特に限定されないが、８質量％以上あれば溶融後硬化した第１はんだ６Ａの融点の上昇が認められる。Ｆｅの割合が５質量％以上であれば、溶融後硬化した第１はんだ６Ａの融点は、再度のリフロー温度（２４０℃〜２６０℃）よりも高くなる。一方、１６質量％を超えると、Ｎｉ−Ｓｎ相の形成が十分に進まず、第１はんだ６Ａの溶融温度が低下する可能性がある。したがって、第２金属６２に占めるＦｅの割合は、５質量％以上１６質量％以下が好ましく、８質量％以上１６質量％以下がより好ましい。

以上のように、本実施形態に係るＰｂフリーはんだは、少なくともＳｎ及びＢｉを含む第１金属に、少なくともＮｉ−Ｆｅ合金を含む第２金属を添加してＰｂフリーはんだ（上述した第１はんだ６Ａ）を構成する。このＰｂフリーはんだが最初に溶融する過程においては、第１金属のＳｎと第２金属のＮｉ−Ｆｅ合金との反応が速やかに進行する。反応後はＮｉ−Ｓｎ相が形成されることにより、硬化したＰｂフリーはんだにおいては、最初に溶融する前と比較して融点が高くなり、耐熱性が向上する。その結果、一旦溶融した後のＰｂフリーはんだがその後のリフローにより再加熱されても、Ｐｂフリーはんだは溶融しない、又は溶融が抑制される。

また、上記のＰｂフリーはんだを、電子部品内蔵モジュールを構成する電子部品の接合に用いることにより、電子部品内蔵モジュールを装置基板等に実装する際のリフローにおいて、電子部品内蔵モジュール内ではんだフラッシュやはんだの移動が発生するおそれを低減できる。このようなＰｂフリーはんだを用いた電子部品内蔵モジュールは、電子部品の端子の接合不良等が発生するおそれを低減できるので、歩留が向上する。

また、本実施形態に係るＰｂフリーはんだは、一旦溶融して硬化した後は融点が上昇するため、耐熱性が要求される部分の接合等にも有効である。この場合、本実施形態に係るＰｂフリーはんだが最初に溶融するときの温度は、ＳｎＢｉ系（Ｓｎを基材としてＢｉが添加されたもの）のはんだと同等（２２０℃程度）なので、接合時における作業性の低下を招くことはない。さらに、Ｓｎ及びＢｉを含む第１金属を用いることにより、Ｎｉ−Ｓｎ相の形成を促進させる熱処理として、例えばモールド工程等の電子部品内蔵モジュールの製造工程における熱処理工程を利用することができるため、追加の熱処理工程等を必要としない。このため、作業性が大幅に向上する。また、本実施形態に係るＰｂフリーはんだは、Ｓｎ、Ｂｉ、Ｎｉ、Ｆｅという比較的安価な金属を用いるので、電子部品内蔵モジュール等の製造コストの上昇を抑制できる。

以上、本発明の実施形態に係るＰｂフリーはんだ及び電子部品内蔵モジュールについて説明したが、本発明に係るＰｂフリーはんだ及び電子部品内蔵モジュールは、上記の構成に限定されるものではない。また、上記実施形態では、電子部品を基板に実装した電子部品内蔵モジュールについて説明したが、本発明に係るＰｂフリーはんだは、例えばリードフレームを介した接合のように、従来高温はんだが用いられていた接合に対しても適用することができる。

以下、実施例及び比較例に基づき本発明をさらに具体的に説明するが、本発明は以下の実施例に何ら限定されるものではない。

＜実施例１〜８、比較例１〜４の準備＞
本発明の実施例１〜８及び比較例１〜４に係るＰｂフリーはんだを以下の通り準備した。まず、第１金属及び第２金属が表１に示す組み合わせとなるように、第１金属及び第２金属を準備した。なお、表１では、第１金属における各成分の分量は、第１金属全体に対する割合（質量％）を示す。また、第２金属の添加量とは第１金属及び第２金属の和に対する第２金属の割合（質量％）を指し、Ｆｅの分量は、第２金属全体に対する割合（質量％）を示す。なお、実施例１〜８及び比較例１〜４に係るフリーはんだに用いられた第１金属及び第２金属の形状はいずれも粒状（略球状）であり、平均粒子径はそれぞれ１０μｍであった。

実施例１〜及び比較例１〜４に係るＰｂフリーはんだを用いて、評価に供するサンプル（電子部品内蔵モジュール）は、次のような手順で２０個作成した。
（１）基板の端子電極に、表１で示す組成のＰｂフリーはんだを含むはんだペーストを印刷した。
（２）実装装置を用いて電子部品としてチップ型抵抗素子を基板に載置した。
（３）電子部品が搭載された基板をリフロー炉に入れてはんだペーストを２４０〜２６０℃で加熱することにより、はんだペーストに含まれるＰｂフリーはんだを溶融して硬化させた。そして、硬化後のＰｂフリーはんだによって、電子部品の端子電極と基板の端子電極とを接合させた。
（４）電子部品及び基板の表面に付着したフラックスを洗浄した。
（５）絶縁樹脂で電子部品及び基板を覆った。電子部品及び基板を被覆する絶縁樹脂は、エポキシ樹脂にフィラー（例えば、本評価ではシリカフィラー）を添加したものを用いた。そして、絶縁樹脂で電子部品及び基板を覆うように塗布し、真空槽内で熱プレス硬化した。その結果、電子部品は、絶縁樹脂によって封止された。以上の方法により電子部品内蔵モジュールを２０個作成した。

上記の方法によって得られた電子部品内蔵モジュールについて、耐熱性（はんだフラッシュ抑制）、耐熱衝撃性（クラック抑制）及び実装性（ぬれ性）について評価した。

＜評価方法：１．耐熱性（はんだフラッシュ抑制）＞
耐熱性（はんだフラッシュ）は次のようにして評価した。まず、評価に供するサンプル（電子部品内蔵モジュール）を２６０℃のリフロー炉に投入し、電子部品内蔵モジュール内の電子部品と基板との接合部におけるはんだの移動を観察した。接合部の接合金属（はんだ材料）が接合部以外に離散するような状況が観察された場合には×、離散していないが接合部の基板側との接合面が変化してしまったものは△、接合部の電子部品端子側の形状の変化が認められるものは○、接合部の接合面や形状が変化していないものは◎とした。

＜評価方法：２．耐熱衝撃性（クラック抑制）＞
耐熱衝撃性（クラック抑制）は、次のようにして評価した。まず、評価に供するサンプル（絶縁樹脂で電子部品及び基板が覆われていないもの）を−５５℃及び１２５℃の環境下で３０分ずつ交互に保持する熱衝撃試験機に投入し、５００サイクル分放置した。その後、硬化後のはんだにより形成された接合部を観察して表面のクラック及び断面観察によるはんだクラックの進行度を確認して評価した。

接合部にクラックが発生していないものは◎、クラックの発生が確認されたがその長さが接合部のはんだの厚みに対して１／３以下である場合は○、クラックの長さが接合部のはんだの厚みの１／３以上１／２以下である場合は△、クラックの長さが接合部のはんだの厚みの１／２以上の場合を×とした。

＜評価方法：３．実装性（ぬれ性）＞
実装性（ぬれ性）は次のようにして評価した。まず、電子部品の端子電極と基板の端子電極とをＰｂフリーはんだで接合した際におけるフィレットの高さ（ぬれ上がり高さ）で評価した。溶融したＰｂフリーはんだのぬれ性が高い場合、Ｐｂフリーはんだは電子部品の端子電極に広がりやすくなる。このため、フィレットのぬれ上がり高さが大きい程、Ｐｂフリーはんだのぬれ性は高いと判断できる。

なお、ぬれ上がり高さは、基板の端子電極の表面から電子部品の端子電極とフィレットとの境界（ぬれ上がり端部）までの距離とした。基板の端子電極からぬれ上がり端部までの距離を測定することが難しい場合、基板の表面からフィレットのぬれ上がり端部までの距離を測定して端子電極の厚みを減算してぬれ上がり高さを求めてもよい。ぬれ性は、ぬれ上がり高さが電子部品の端子電極の高さに対して７０％以上である場合に◎、５０％以上７０％未満は○、３０％以上５０％未満は△、３０％未満は×とした。

＜評価結果＞
上記の３つの評価の結果を表２に示す。耐熱性（はんだフラッシュ抑制）、耐熱衝撃性（クラック抑制）、及び実装性（ぬれ性）のいずれかが×である場合、総合評価は×とした。評価が△の項目が１つ以上ある場合、総合評価は△とした。評価が◎の項目が２つ以上ある場合、総合評価は◎とした。それ以外の場合、総合評価は○とした。

１…電子部品内蔵モジュール、２…電子部品、３…基板、４…絶縁樹脂、５…シールド層、６Ａ…第１はんだ、６Ｂ…第２はんだ、６１…第１金属、６２…第２金属。

Claims (4)

1. 少なくともＳｎ及びＢｉを含む第１金属と、
   少なくともＮｉ−Ｆｅ合金を含む第２金属と、
   を含み、
   前記第１金属は、Ｓｎ及びＢｉの和が９０質量％以上であって、Ｂｉの割合が５質量％以上１５質量％以下であり、
   前記第１金属の質量と前記第２金属の質量との和に対する前記第２金属の割合が５質量％以上３０質量％以下であるＰｂフリーはんだ。
2. 前記第１金属及び前記第２金属は、粒状である請求項１に記載のＰｂフリーはんだ。
3. 前記第２金属の平均粒子径は、３μｍ以上５０μｍ以下である請求項２に記載のＰｂフリーはんだ。
4. 電子部品と、当該電子部品が実装される基板と、を含み、
   前記電子部品の端子と前記基板の端子とは、請求項１〜３のいずれか１項に記載のＰｂフリーはんだにより接合される電子部品内蔵モジュール。

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